CC BY
54НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
УДК 541.8+669.295
DOI 10.26732/2618-7957-2018-3-157-164
СВ-СИНТЕЗ TiB2-MgAl2O4 КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Н. И. Афанасьев, Н. И. Радишевская, О. К. Лепакова,
А. Ю. Назарова, В. Д. Китлер
Томский научный центр СО РАН, г. Томск, Российская Федерация
Бориды металлов широко используются в качестве теплоизоляционных материалов, но в условиях высокотемпературных окислительных сред эффективность их применения значительно снижается. Для повышения термостойкости конструкционных материалов на основе диборида титана и предотвращения роста кристаллов TiB2 применяли добавки химически стойкой алюмомагнезиальной шпинели, обладающей огнеупорными свойствами. Целью данной работы являлось исследование структуры композита TiB2-MgAl2O4, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза двумя способами. Первый - СВ-синтез диборида титана из его элементов с добавкой алюмомагнезиальной шпинели. Другим способом решения получения термостойкого композиционного материала является СВ-синтез алюмомагнезиальной шпинели с добавлением готового диборида титана. Наилучшие результаты получены первым способом. Структура с равномерным распределением мелких зерен TiB2 синтезирована с добавкой 25 % масс. MgAl2O4. Составы исследовали рентгенофазовым анализом (ДРОН-3М, фильтрованное Си-ка-излучение), ИК-спектроскопией (Nicolet 5700) и сканирующей электронной микроскопией (Philips SEM 515). Полученный материал представляет собой композит, в котором частицы TiB2, имеющие размер, не превышающий 5 мкм, равномерно распределены в матрице алюмомагнезиальной шпинели.
Ключевые слова: диборид титана, алюмомагнезиальная шпинель, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, композиты.
Введение
Карбиды и бориды металлов широко используются в качестве теплоизоляционных материалов, однако область их применения ограничена в результате окисления в агрессивных средах при высоких температурах. Для повышения их огнеупорности дополнительно вводится алюмо-магнезиальная шпинель (MgAl2O4), имеющая температуру плавления 2135 °С, что соответствует высшей категории огнеупорности [1]. Для синтеза таких керамических материалов применяют магний- и алюмотермические процессы синтеза. Так, с помощью металлотермического восстановления в системе TiO2-MgO-Al2O3-Al получены огнеупорные материалы на основе MgAl2O4 и карбонитридов титана [2]. Высокопрочный пористый керамический материал, в состав которо-
© Афанасьев Н. И., Радишевская Н. И., Лепакова О. К., Назарова А. Ю., Китлер В. Д., 2018
го входят MgAl2O4, ^В2, ТЮ2, А14Б206, Mg2B2O5, синтезирован в системе ТЮ^В^^А! с добавками MgO. Его можно использовать в качестве катализаторов при температурах 600-700 °С в открытой атмосфере [3; 4].
При получении тугоплавких неметаллических композиционных соединений с заданными свойствами широко используется метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). С применением этого метода в данной работе получен композиционный материал на основе диборида титана и химически стойкой и огнеупорной алюмомагнезиальной шпинели, которая экранировала частицы ^В2 и затормаживала протекание высокотемпературных твёрдо-фазных окислительных реакций в процессе эксплуатации материала.
Получали такой материал двумя способами. Первый - синтез диборида титана из его элементов с добавкой алюмомагнезиальной шпинели. Другим способом решения получения термостойкого композиционного материала является
АППАРАТЫ И
№ 3 (25) 2018
тнношга
ii'T
синтез алюмомагнезиальнои шпинели методом СВС с добавлением готового диборида титана.
Целью данноИ работы является получение методом СВС термостоИкого композиционного материала на основе ^В2 и MgAl2O4 двумя вышеперечисленными способами и исследование фазового состава и микроструктуры полученных материалов.
Материалы и методы исследования
158 Для приготовления реакционных смесеИ
для синтеза композиционного материала первым способом использовали просушенные в вакууме при температуре 200 °С в течение 2 часов порошки титана марки ТПП-8 (содержание титана ~ 96 %, размер частиц < 160 мкм, ОАО «Ависма»), алюмомагнезиальноИ шпинели (ТУ 6-09-01-136) и бора аморфного (Б-99А-ТУ-6-02-585-75). Было приготовлено 4 смеси различного состава: 90 % (П + 2В) + 10 % MgAl2O4; 75 % (Т + 2В) + 25 % MgAl2O4; 60 % (П + 2В) + 40 % MgAl2O4; 55 % (Т + 2В) + 45 % MgAl2O4. Порошки тщательно перемешивали до получения однородноИ шихты, из котороИ на гидравлическом прессе формовали пористые (40—45 %) цилиндрические образцы диаметром 20 и длиной 30—32 мм. Синтез проводили в установке постоянного давления в атмосфере аргона при давлении ~ 6 атм. Воспламенение образцов осуществляли с помощью вольфрамовой спирали.
В качестве исходных реагентов для второго способа использовали смеси порошков оксидов магния MgO и алюминия А1^3 квалификации «ч», порошок алюминия марки АСД-4 дисперсностью менее 30 мкм с добавкой аморфного бора (Б-99А-ТУ-6-02-585-75) в количестве 4 % масс. с размером частиц 1 —5 мкм и нитрат магния Mg(NO3)2 • 6Н20 «хч». В смесь добавляли поро-
Том 2
шок TiB2 (10 % масс. и 20 % масс.), полученный СВС методом. Синтез композита осуществляли в стаканчиках из металлической сетки на воздухе при атмосферном давлении, которые помещались в градиентную печь сопротивления. Для синтеза использовали образцы насыпной плотности, воспламенение которых осуществляли в верхней части образца, где температура печи была максимальной.
Температуры горения определяли воль-фрам-рениевой термопарой ВР5-ВР20 диаметром 100 мкм, регистрацию данных осуществляли с помощью аналого-цифрового преобразователя nA-20USB, соединённого с персональным компьютером. Составы полученных материалов подтверждены рентгенофазовым анализом (Дрон-3М, фильтрованное Со ka-излучение), ИК-спектроскопией (ИК-Фурье спектрометр Nicolet-5700). Для изучения микроструктуры использовали оптический микроскоп (Axiovert 200M) и растровый электронный микроскоп SEM-515 (Philips). Испытания на микротвердость проводили на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на пирамидку Виккерса 100 г в соответствии с требованиями ГОСТа 9450-60.
Результаты и обсуждение
Для смеси порошков с соотношением компонентов Ti:B = 1:2 адиабатическая температура горения составляет Тад = 3190 K [5]. Высокая температура синтеза диборида титана способствуют расплавлению алюмомагнезиальной шпинели, которая, растекаясь по поверхности его зёрен, формирует матрицу, обеспечивающую защиту поверхности TiB2 шпинелью. В данном случае алюмомагнезиальная шпинель MgAl2O4 по отношению к смеси (Ti + B) является инертом. В табл. 1 приведены физико-химические свойства шпинели и диборида титана [6; 7].
Таблица 1
Физико-химические свойства соединений
Соединение p, г/см3 Т °С -АН° обр, кДж/моль
MgAl2O4 3,58 2135 2307,8
TiB2 4,45-4,50 2850 293,3
MgTiO3 3,91 1630 (1680) 1569,6
a-Al2O3 3,99 2045 1675,0
На рис. 1 представлена термограмма процесса горения системы ^В2 (75 % масс.) + MgAl2O4 (25 % масс.). Как видно из рисунка, максимальная температура синтеза составляет
2300 °С, что выше температуры плавления шпинели.
Синтез алюмомагнезиальноИ шпинели протекает при меньших температурах (рис. 2).
Н. И. Афанасьев, Н. И. Радишевская, О. К. Лепакова, А. Ю. Назарова, В. Д. Китлер
СВ-синтез TiB2-MgAl2O4 композитов для жаростойких покрытий
Воспламенение происходит при температуре ~ 330 °С и достигает максимальной температуры процесса ~ 1500 °С, что ниже температуры плавления Т1В2.
т, °с
2000
1500
1000
500
0
-10
60
S0 100 120 1-10 t, sec
Рис. 1. Термограмма процесса горения системы
75 % масс. TiB2 + 25 % масс. MgAl2O4
т, °с
1400 1200 1000 800 600 400 200
50 100 150 200
t, sec
250
Рис. 2. Температурно-временной профиль СВ-синтеза алюмомагнезиальной шпинели, шихта которой состоит из смеси MgO, Al2O3, Mg(NO3)2 • 6H2O, Al и B (4 % масс.)
В зависимости от содержания вводимой шпинели в состав композита на основе TiB2, полученного первым способом, наблюдается изменение микроструктуры образцов. При количестве MgAl2O4 <10 % наблюдаются зерна диборида титана, не полностью окруженные затвердевшим расплавом MgAl2O4. Большое количество вводимой MgAl2O4 (40 % масс.) формирует неоднородную структуру, включающую в себя отдельные области, состоящие из диборида титана и алюмомагнезиальной шпинели. Наилучшие результаты получаются при содержании шпинели в количестве 25 % масс. (рис. 3). Микроструктура состоит из мелких зерен TiB2 (светлые кристаллы), полностью окруженных шпинелью (тёмные области).
Рис. 3. Микроструктуры СВС-композитов на основе диборида титана с добавлением 25 % MgAl2O4, где (a) - оптический микроскоп Axiovert 200M и (b) - растровый электронный микроскоп SEM-515 (Philips)
В результате исследования микроструктуры установлено, что добавка 25 % MgAl2O4 привела к существенному уменьшению кристаллов TiB2 (~ 2 мкм), которые окружены застывшим расплавом алюмомагнезиальной шпинели.
Рентгенофазовый анализ исследуемых образцов, приведенный на рис. 4, показал, что в составе алюмомагнезиальной шпинели содержится 12 % масс. Al2O3. Как видно из рисунка, шпинель определяется в композите, содержащем 25 % масс. MgAl2O4, хотя металлографически шпинель идентифицируется уже при содержании 10 % масс.
ИК-спектроскопические исследования композита, содержащего 25 % масс. MgAl2O4, показали, что в его составе, наряду с TiB2, MgAl2O4 и a-Al2O3, содержится незначительно MgTiO3 (рис. 5).
На рис. 5 (кривая 1) наблюдаются две основные полосы поглощения с максимумами при 692,0 см-1 и 540,0 см-1, относящиеся к тетра-эдрически координированному магнию MgO4 и октаэдрически координированному алюминию AlO6 алюмомагнезиальной шпинели. Неупорядоченность структуры шпинели, приводящая к изменению силы связи в катионной под-решетке шпинели, проявляется появлением по-
159
■жив
АППАРАТЫ И
ПХШПЁ^^Н
№ 3 (25) 2018
160
лосы поглощения при 558,7 см—1 [8]. Небольшой пик в интервале частот ~ 800—900 см—1 свидетельствует о присутствии А1203 в составе шпинели (кривая 3).
с
<и
....... 2 2,212,1 1 а
'.....,. 1 ь
>3 3 ! ! Л К
30
40 50 60 70
80 90
2е,аед
Рис. 4. Дифрактограммы композитов на основе ТШ2 с различным содержанием алюмомагнезиальной шпинели: (а) — М^А!^,!, (Ь) — TiB2 + 10 % МяА^, (с) — ТВ2 + 25 % MgAl2O4, — TiB2 + 40 % МяА!р4; 1
Т1В2, 2
MgAl2O4, 3 — Al2Oз
100 90 80 70
? 60
го ^
и 50 с
3= 40
30 20 10
0- . 1400
600 400
ШауепытЬег, ст-
Рис. 5. ИК-спектры в интервале частот 400—1300 см—1: (1) — MgAl2O4, (2) — композит ТШ2-25 % масс. MgAl2O4, (3) — серый корунд, (4) — ПВ2
Диборид титана, содержащийся в композите, проявляется характерными полосами поглощения при 473, 5 см—1 и 418 см—1 (кривые 2 и 4).
В процессе горения системы 75 % масс ^В2 + 25 % масс. MgAl2O4 максимальная температура достигает 2300 °С, что приводит к частичному разрушению MgAl2O4.
МвЛ1204
-*Л12о3
-МеО
(1)
Том 2
Наличие полос поглощения в спектре композита при 638,4; 592, 0 и 464, 5 см—1, характерных для октаэдрически координированного алюминия АЮ6, и присутствие полос тетраэдрически координированного алюминия АЮ4 при 1089,1; 797,9 и 778,7 см—1 указывает на содержание в продукте глиноземистой шпинели АЮА!^^ Эта шпинель, имеющая температуру плавления 1980 °С, обнаружена при получении электрокорунда в восстановительной среде [1; 9; 10]. Для сравнения, ИК-спектр корунда приведен на рис. 5 (кривая 3). Кроме того, в спектре композита на уровне шумов проявляются полосы поглощения при 940,2; 727,2; 507,8 и 451,3 см—1, которые можно отнести к MgTiO3 [11]. Образование данного соединения возможно во время синтеза на границе фаз между ^В2 и MgAl2O4. Кислород и MgO могут заимствоваться при термическом распаде шпинели.
М&0 + Т1 + 02= М§ТЮ3 (2)
В результате мелкозернистой структуры данного композита его ИК-спектр (кривая 2) представляет собой огибающую линию по спектру алюмомагнезиальной шпинели с наложением многочисленных частот колебаний связей, относящихся к Т1В2, корунду, глиноземистой шпинели и MgTiO3.
Как видно из табл. 1, все присутствующие в композите компоненты имеют высокие значения температур плавления, что делает данный керамический материал огнеупорным.
В процессе СВ-синтеза композитного материала из смеси оксидов MgO и А^3, нитрата магния Mg(NO3)2 • 6Н20 и порошков алюминия АСД-4, бора, с добавками ^В2 (10 % масс. и 20 % масс.) получен керамический материал, состоящий, согласно рентгенофазовому анализу, в основном, из смеси MgAl2O4, ^В2 и а^^^ В составе композита незначительно определяются оксид А!^^ остаточный MgO и возможно BN (рис. 6). Наличие BN подтверждается ИК-спектроскопическим анализом (рис. 7).
На ИК-спектрах композита с различным содержанием ^В2 в составе исходных реагентов наблюдаются как полосы поглощения тетраэдри-чески координированного магния [MgO4] при 696,7 см-1 и октаэдрически координированного алюминия [АЮ6] при 543,2 см-1, относящиеся к алюмомагнезиальной шпинели, так и ^В2 при 1098,2; 474,4 и 418 см-1. Причем с увеличением содержания диборида титана в шихте наблюдается увеличение полосы поглощения при 418 см-1 со сдвигом в низкочастотную область до 412 см-1, что связано с незначительным окислением ^В2 и частичным замещением колебаний связи З^-В) на 5(11-0) с образованием оксида титана ^О [8]. При 1651,7 см-1 фиксируется незначитель-
3
4
Н. И. Афанасьев, Н. И. Радишевская, О. К. Лепакова, А. Ю. Назарова, В. Д. Китлер
СВ-синтез TiB2-MgAl2Ü4 композитов для жаростойких покрытий
ное деформационное колебание 5(0Н)-группы воды, адсорбированной на дибориде титана. Присутствует полоса поглощения тетраэдри-чески координированного алюминия А104 при ~ 780 см-1, относящаяся к оксиду А1204, определяемому также рентгенофазовым анализом.
K-20%TiB,
|4 3 5 1 2 l4 2 14 '5 K-10%TiB
K-0%TiB2
2Mg(NO3)2 • 6H2O = = 2MgO + 12H2O t +O2t +4NO2t
(3)
2NO2 = 2NO + O2
5B + 3NO = BO + 3BN
(4)
(5)
Действительно, наряду с нитридом бора определяется широкая полоса поглощения В^3
с максимумами при 1477,3 и ~ 1450 см-1, соответствующими ассиметричным валентным колебаниям связи В-0 в плоском треугольнике [В03] и колебаниям самих треугольных группировок [ВО3] при 880,7 см-1, что указывает на частичное окисление бора [14; 15].
1400 1200 1000
W&venumber, cm-1
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
20, deg.
Рис. 6. Дифрактограммы композитов на основе MgAl2O4 с добавками TiB2: К-0 % TiB2 - алюмомагнезиальная шпинель, полученная СВС методом; К-10 % TiB2 - композит на основе алюмомагнезиальной шпинели, содержащий 10 % TiB2; К-20 % TiB2 - композит на основе алюмомагнезиальной шпинели, содержащий 20 % TiB2; 1 - MgAl2O4, 2 - TiB2, 3 - a-Al2O3, 4 - Al2O4, 5 -MgO, 6 - BN
Нитрид бора проявляется широкой полосой поглощения в интервале 1200-1600 см-1 (характерное плечо при 1272,6 см-1) и колебаниями связей при 925,5 (плечо), 816,7 см-1, что указывает на гексагональную модификацию [12]. Он относится к тугоплавким (Тпл = 2973 °С), термически устойчивым, мало реакционноспособным соединениям и используется для изготовления высокоогнеупорных материалов. Образование BN происходит из смеси оксидов азота, выделившихся при разложении шестиводного нитрата магния.
Рис. 7. ИК-спектры в интервале частот 400-2000 см-1: (1) - композит (TiB2-10 % масс.), (2) - композит (TiB2-20 % масс.), (3) - MgAl2O4 (СВС-метод), (4) - TiB2, (5) - нитрид бора (гексагональный)
В инфракрасном диапазоне при ~ 720; 567,2 и 450,4 см-1 проявляется соединение, имеющее структуру аналогичную структуре перовски-та [16]. К такому соединению может относиться и титанат магния MgTiO3.
Оптические исследования подтверждают частичное разрушение диборида титана. На микрофотографии композита (20 % масс. TiB2) видно, что частицы TiB2, находящиеся в матрице из алюмомагнезиальной шпинели, окружены ореолом из частиц желтого цвета (рис. 8). Вследствие того, что синтез полученного материала проводился на воздухе в агрессивной окислительной среде, наблюдается частичное окисление кристаллов TiB2 по поверхности и по границам раздела зерен с образованием оксида TiO.
Известно также, что при повышенных температурах (135-620 °С) двуокись азота разлагается на монооксид азота и кислород, а монооксид азота N0 при 800 °С окисляет бор с образованием оксида и нитрида бора одновременно [13].
Рис. 8. Микроструктура СВС-композита, полученного вторым способом, где 1 - MgAl2O4,
i6i
2 - TiB2, 3 - TiO,
4 - Al2O3
90
2
3
5
4
0
2000
1:00
600
800
600
АППАРАТЫ И
№ 3 (25) 2018
тнношга
162
ii'T
Как показали исследования, лучшие результаты получены первым способом. Материал (^В2 + 25 % MgAl2O4) имеет мелкозернистую структуру, состоящую из зерен ТСВ2, окруженных алюмомагнезиальной шпинелью. Образующаяся поверхностная прослойка из MgAl2O4 на границе зерен ^В2 выступает в роли блокирующей защиты от окисления диборида титана и препятствует росту кристаллов ТСВ^ В процессе синтеза композита происходит частичное разрушение шпинели, о чём свидетельствуют незначительные примеси корунда и MgTi03.
Во втором случае наблюдаются крупные частицы диборида титана, хаотично разбросанные в алюмомагнезиальной матрице. Частичное окисление кристаллов ^В2 по поверхности и границам зерен приводит к образованию оксида ТСО, кроме того на уровне микропримесей обнаруживается MgTi03.
Измерения микротвердости, проведенные на микротвердомере ПМТ-3, показали, что для композита 75 % (ТС + 2В) + 25 % MgAl2O4 она несколько выше и составляет 24,02 ГПа в отличие от композита 90 % (ТС + 2В) + 10 % MgAl2O4 со значением микротвердости 22,56 ГПа. По форме отпечатка, оставленного пирамидкой, можно сделать вывод, что композит 75 % (ТС + 2В) + 25 %
Том 2
MgAl2O4 является менее хрупким (отсутствуют трещины по углам отпечатка). Введение добавок MgAl2O4 способствует формированию более плотных структур композитов на основе ТСВ2.
Заключение
В процессе синтеза композита первым способом происходит частичное разрушение шпинели, о чём свидетельствуют незначительные примеси корунда, глиноземистой шпинели и MgTi03, что доказывается ИК-спектроскопией.
Во втором случае, согласно рентгенофазо-вому анализу и ИК-спектроскопии, происходит частичное окисление диборида титана и, наряду с образованием основных фаз (MgAl2O4, ТСВ2), наблюдается образование корунда, оксида А^^ В^ В^3, ТСО и MgTi03.
Показано, что структура с равномерным распределением зерен ТСВ2 в алюмомагнезиаль-ной матрице получена первым способом с применением 25 % масс. MgAl2O4.
Образующаяся прослойка из MgAl2O4 на границах зерен ТСВ2 выступает в роли блокирующей защиты от окисления диборида титана и препятствует росту кристаллов ТСВ2.
Список литературы
1. Хорошавин Л. Б. Шпинелидные наноогнеупоры. Екатеринбург : УрО РАН, 2009. 600 с.
2. Omid E. K., Naghizadeh R., Rezaie H. R. Synthesis and comparison of MgAl2O4-Ti(C, N) composites using aluminothermic-carbothermal reduction and molten salts routes // Journal of Ceramic Processing Research, 2013, vol. 14, no. 4, pp. 445-447.
3. Zaki Z .I, Ahmed Y. M. Z., Abdel-Gawad S. R. In-situ synthesis of porous magnesia spinel/TiB2 composite by combustion technique // Journal of the Ceramic Society Japan, 2009, vol. 117 (1366), pp. 719-723.
4. Horvitz D., Gotman I. Pressure-assisted SHS synthesis of MgAl2O4-TiAl in Situ composites with interpenetrating networks // Acta Materialia, 2002, vol. 50, no. 8, pp.1961-1971.
5. Мержанов А. Г. Процессы горения и синтеза материалов. Черноголовка : Издательство ИСМАН, 1998. 511 с.
6. Самсонов Г. В., Буланкова Т. Г., Бурыкина Ф. Л., Знатокова Т. Н. Физико-химические свойства окислов: справочник. М. : Металлургия, 1969. 456 с.
7. Рузинов Л. П., Гуляницкий Б. С. Равновесные превращения металлургических реакций. М. : Металлургия, 1975. 416 с.
8. Барабанов В. Ф., Гончаров Г. Н., Зорина М. Л. Современные физические методы в геохимии. Л. : Изд-во Ленинградского ун-та, 1990. 391 с.
9. Чернякова К. В., Врублевский И. А., Ивановская М. И., Котиков Д. А. Примесно-дефектная структура анодного оксида алюминия, сформированного методом двустороннего анодирования в растворе винной кислоты // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 1. С. 83-89.
10. Солодкий Е. Н., Солодкий Н. Ф. Причины окрашивания корундовой керамики // Стекло и керамика. 2000. № 11. С. 24-26.
11. Накамото К. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений / пер. с англ. под редакцией Ю. А. Пентина. М. : Мир, 1991. 536 с.
12. Бланк В. Д., Эстрин Э. И. Фазовые превращения в твердых телах при высоком давлении. М. : Физматлит, 2011. 412 с.
13. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Неорганическая химия в реакциях: справочник. М. : Дрофа, 2007. 637 с.
Н. И. Афанасьев, Н. И. Радишевская, О. К. Лепакова, А. Ю. Назарова, В. Д. Китлер
СВ-синтез TiB2-MgAl2O4 композитов для жаростойких покрытий
14. Баличева Т. Г., Лобанева О. А. Электронные и колебательные спектры неорганических и координационных соединений. Л. : Изд-во ЛГУ, 1983. 117 с.
15. Лавренов А. В., Булучевский Е. А., Карпова Т. Р., Моисеенко М. А. и др. Синтез, строение и свойства компонентов моторных топлив // Химия в интересах устойчивого развития. 2011. Т. 19. № 1. С. 87—95.
16. Перовскит [Электронный ресурс]. URL: http://natural-museum.ru/mineral/перовскит (дата обращения: 13.09.2018).
SH-SYNTHESIS OF TiB2-MgAl2O4 COMPOSITES FOR HEAT-
RESISTANT COATINGS
163
N. I. Afanasyev, N. I. Radishevskaya, O. K. Lepakova,
A. Yu. Nazarova, W. D. Kitler
Tomsk Scientific Centre SB RAS, Tomsk, Russian Federation
Metal borides are known to be widely used as heat-insulating materials, but their efficiency significantly reduces under high-temperature oxidizing conditions. To increase the heat resistance of structural materials based on titanium diboride and prevent the growth of TiB2 crystals, chemically-resistant refractory magnesium-aluminate spinel was used. The purpose of this work was to study the structure of the TiB2-MgAl2O4 composite obtained by the method of self-propagating high-temperature synthesis using two approaches. The first approach is the self-propagating high-temperature synthesis of titanium diboride from its elements with the addition of magnesium-aluminate spinel. Another approach to the obtaining of a heat-resistant composite material is the self-propagating high-temperature synthesis of magnesium-aluminate spinel with the addition of titanium diboride. The best results were obtained using the first approach. A structure with a uniform distribution of fine TiB2 grains was synthesized by adding 25 % wt. MgAl2O4. The compositions were investigated using X-ray diffraction (DRON-3M, filtered Cu-ka-radiation), IR spectroscopy (Nicolet 5700) and scanning electron microscopy (Philips SEM 515). The obtained material was a composite in which TiB2 particles with a size not exceeding 5 microns were uniformly distributed in the
matrix of magnesium-aluminate spinel.
Keywords: titanium diboride, magnesium-aluminate spinel, self-propagating high-temperature synthesis,
composites.
References
1. Horoshavin L.B. Shpinelidnye nanoogneupory [Spinel Nanorefractory Materials]. Ekaterinburg, UB RAS, 2009, 600 p. (In Russian)
2. Omid E. K., Naghizadeh R., Rezaie H. R. Synthesis and comparison of MgAl2O4-Ti(C, N) composites using aluminothermic-caibothermal reduction and molten salts routes // Journal of Ceramic Processing Research, 2013, vol. 14, no. 4, pp. 445-447.
3. Zaki Z. I, Ahmed Y. M. Z., Abdel-Gawad S. R. In-situ synthesis of porous magnesia spinel/TiB2 composite by combustion technique // Journal of the Ceramic Society Japan, 2009, vol. 117 (1366), pp. 719-723.
4. Horvitz D., Gotman I. Pressure-assisted SHS synthesis of MgAl2O4-TiAl in Situ composites with interpenetrating networks // Acta Materialia, 2002, vol. 50, no. 8, pp.1961-1971.
5. Merzhanov A. G. Processy goreniya i sinteza materialov [Processes of Burning and Materials Synthesis]. Chernogolovka, ISMAN, 1998, 511 p. (In Russian)
6. Samsonov G. V., Bulankova T. G., Burykina F. L., Znatokova T. N. Fiziko-himicheskie svojstva okislov [Physical-chemical properties of oxides]. Metallurgy, 1969, 456 p. (In Russian)
7. Ruzinov L. P., Gulyanitzkii B. S. Ravnovesnye prevrashcheniya metallurgicheskih reakcij [Equilibrium transformation of metallurgical reactions]. Metallurgy, 1975, 416 p. (In Russian)
8. Barabanov V. F., Goncharov G. N., Zorina M. L. Sovremennye fizicheskie metody v geohimii [Modern Physical Methods on Geochemistry]. Leningrad University, 1990, 390 p. (In Russian)
9. Chernyakova K. V., Vrubelevskii I. A., Ivanovskaya M. I., Kotikov D. A. Primesno-defektnaya struktura anodnogo oksida alyuminiya, sformirovannogo metodom dvustoronnego anodirovaniya v rastvore vinnoj kisloty [Defective structure of anode alumina oxide, formed by method of bilateral anodic oxidation] // J. Appl. Spectrosc, 2012, vol. 79, no. 1, pp. 83-89. (In Russian)
_________E(
AllllAPATbl Ifl_№ 3 (25) 2018
TBdHllOnillEffl^Pjg TOM 2
i I?-1:
10. Solodkii E. N., Solodkii N. F. Prichiny okrashivaniya korundovoj keramiki [Reasons for coloring corundum ceramics] // Glass Ceram, 2000, no. 11, pp. 24-26. (In Russian)
11. Nakamoto K. IK-Spektry i Spektry KR Neorganicheskikh i Koordinatsionnykh Soedinenii [Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds]. Mir, 1991, 536 p. (In Russian)
12. Blank V. D., Estrin E. I. Fazovye prevrashcheniya v tverdyh telah pri vysokom davlenii [Phase transformations in solids at high pressure]. Moscow, Fizmatlit, 2011, 412 p. (In Russian)
13. Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Neorganicheskayahimiyavreakciyah [Inorganic chemistry in reactions]. Moscow, Drofa, 2007, 637 p. (In Russian)
14. Balicheva T. G., Lobaneva O. A. Elektronnye i kolebatel'nye spektry neorganicheskih i koordinacionnyh soedinenij [Electronic and vibrational spectra of inorganic and coordination compounds]. Leningrad, Leningrad State University, 1983, 117 p. (In Russian)
15. Lavrenov A. V., Bulychevsky E. A., Karpova T. R., Moiseenko M. A. Sintez, stroenie i svojstva komponentov 164 motornyh topliv [Synthesis, structure and properties of components of motor fuels] // Chemistry in the interests of
sustainable development, 2011, vol. 19, no. 1, pp. 87-95. (In Russian)
16. Perovskit. Available at: http://natural-museum.ru/mineral/perovskite (accessed 13.09.2018).
